基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器

摘要

基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器，其特征包括激光光源，光隔离器，偏振控制器，2×1耦合器，单模传输光纤，侧边抛磨单模光纤，空气间隙，镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器，全反射膜，光电探测器，数据采集卡(DAC)和PC机；所述空气间隙由侧边抛磨单模光纤和镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器组成；所述侧边抛磨光纤、空气间隙和镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器组成光纤振动传感头；外界环境振动作用于类“喇叭”SPR传感器的金膜，使之发生振动，空气间隙发现变化，使SPR谱的发生变化，通过检测特定波长处的强度，可以实现振动测量。本发明提出一种具有实用、低成本、超灵敏度、强度检测的基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及基于表面等离子体共振的超灵敏度水听 器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是指当光源发出的P 型偏振复色光经过薄膜金属与介质的交界面时，若满足入射角大于全反射临界角，在表面上 形成了电子浓度的梯度分布，形成等离子体振荡，形成表面等离子体波，由于表面倏逝波场 与金属复折射率的存在，使满足谐振波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。1968 年，德国物理学家Otto和Kretschmann各自采用(Attenuated Total Reflection，简称ATR)的 方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的激发。1993年，Jorgenson等人在实验上实现 了基于SPR的光纤化工传感器，相比于棱镜SPR传感器，它具有体积小、响应快、成本低、 可以实现在线实时监测等优势，有着更大的研究前景和经济价值。

自第二次世界大战之后以来，水声技术在军事需求的强势推动下得到了长足的发 展，声场是收集、传递和处理海洋深层信息的重要方式，光纤水听器是一种建立在光纤、光 电子技术基础上的水下声信号振动传感器，主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、 海底声学特性、目标声学特性等的监测。光纤水听器主要分为强度型、偏振型和相位干涉型， 其中干涉型为目前研究的热点。干涉型光纤水听器是利用声波对单模光纤线圈中光的相位进 行调制，使得传感光纤线圈发生弹性效应和应变效应，光纤线圈产生振动作为传感单元。目 前报道中有采用圆柱体中空自由溢水式结构，传感臂光纤缠绕在外层弹性体上，参考臂光纤 缠绕在内层弹性体上作为声波振动探头，这种结构灵敏度主要取决于弹性体的灵敏度，灵敏 度低且结构复杂；有人利用简易支架结合长周期光纤光栅作为水听器的振动传感器，这种设 计机械结构相对简化，但长周期光纤光栅易受交叉温度、折射率、应变等交叉参数的影响， 因此需要复杂的信号解系统；中船重工715研究所联合浙江大学报到了采用金属弹片作为增 敏结构的光纤光栅振动传感器作为水听器的探头，Michelson干涉仪进行解调，该结构相比前 面报到灵敏度有所增加，但成本增加。这些作为光纤水听器的振动传感器要不结构复杂，要 不解调设备昂贵，要不就需要复杂的数据处理过程，而且整体上每一种结构的灵敏度不高， 这些振动传感器的缺点严重阻碍光纤水听器的发展和应用。

针对上述光纤水听器中振动传感头结构复杂、测量成本高、数据处理复杂、 灵敏度低等问题，本发明提出一种基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器。本发明中以类 “喇叭”结构底部镀金膜作为声波接收头，与侧边抛磨单模光纤构成的光纤SPR振动传感头， 随着声波振动，金膜与光纤间的间隙发生变化，从而使得SPR谐振波长发生变化。因此，本 发明提出的基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器能够实现微小振动的超灵敏度传感，结 构简单，成本低，具有很强的实用价值。

发明内容

为了克服光纤水听器中振动传感头结构复杂、测量成本高、数据处理复杂、灵敏 度低等问题，本发明提出了一种结构简单、超灵敏度、低成本、实用性强的基于表面等离子 体共振的超灵敏度水听器。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器，包括：激光光源、光隔离器、偏振控 制器、2×1耦合器、单模传输光纤、侧边抛磨单模光纤、镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器、 全反射膜、光电探测器、数据采集卡(DAC)以及PC机。

激光光源的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器的输出端与偏振控制器相 连，2×1耦合器有两端口的一端分别于偏振控制器的输出端和光电探测器相连，数据采集卡 (DAC)分别与光电探测器的输出端和PC机相连，其中光电探测器具有时间响应特性；2×1 耦合器的一端口的一端与单模传输光纤的一端相连，单模传输光纤的另一端与侧边抛磨单模 光纤未镀膜的一端相连，侧边抛磨单模光纤的另一端镀有全反射膜。侧边抛磨单模光纤和镀 有金膜的类“喇叭”SPR传感器形成空气间隙，侧边抛磨单模光纤剩余包层的厚度在 50nm～250nm之间，空气间隙的宽度在1nm～12nm之间，金膜厚度在40nm～70nm之间，表面 粗糙度的均方根小于等于5nm，且镀金膜的金属薄膜具有很好的弹性、柔韧性且厚度在 1mm～5mm之间，全反射膜对谐振波长的反射率大于等于90％；由侧边抛磨单模光纤、空气 间隙、镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器组成超灵敏度光纤振动传感头。光电探测器和数据采 集卡(DAC)作为SPR传感器的解调器。

本发明的有益效果为：

本发明利用侧边抛磨单模光纤、空气间隙、镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器作为 超灵敏度光纤振动传感头，当外界环境发生振动时，镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器的镀金 薄膜也发生振动，空气间隙的宽度随着振动发生变化，则使得SPR光谱发生变化，通过检测 待定波长处的强度，可以实现超灵敏度的振动测量。

本发明利用全反射膜作为反射镜，结构简单，实现高灵敏度的振动反射式测量。

本发明中解调系统使用光电探测器，实现光强度的检测，避免了昂贵的光谱解调 仪等波长检测设备的使用，降低了成本。

附图说明

图1为基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如图1所示，基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器，包括激光光源1，光隔 离器2，偏振控制器3，2×1耦合器4，单模传输光纤5，侧边抛磨单模光纤6，空气间隙7，镀 有金膜的类“喇叭”SPR传感器8，全反射膜9，光电探测器10，数据采集卡(DAC)11和 PC机12。激光光源1的输出端与光隔离器2相连，光隔离器2的输出端与偏振控制器3相 连，2×1耦合器4的两端口的一端分别与偏振控制器3的输出端和光电探测器10输入端相 连，2×1耦合器4的一端口一端与单模传输光纤5的一端相连，单模传输光纤5的另一端与 侧边抛磨单模光纤6未镀膜的一端相连，镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器8与侧边抛磨单 模光纤6构成空气间隙7，侧边抛磨单模光纤6的另一端镀有全反射膜9，数据采集卡(DAC) 11分别与光电探测器10输出端和PC机12相连。P偏振光由激光光源1、光隔离器2以及偏 振控制器3结构产生；由侧边抛磨单模光纤6、空气间隙7和镀有金膜的类“喇叭”SPR传感 器8组成超灵敏度光纤振动传感头，侧边抛磨单模光纤6剩余包层的厚度在50nm～250nm之 间，空气间隙7的宽度在1～12nm之间，镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器8作为SPR传感区， 金膜厚度在40nm～70nm之间，表面粗糙度的均方根小于等于5nm，镀有金膜的金属薄膜具有 很好的弹性、柔韧性且厚度在1mm～5mm之间；全反射膜9对谐振波长的反射率大于等于90％； 光电探测器10、数据采集卡11以及PC机12组成信号解调部分。

本发明的工作方式为：激光光源1产生信号光，由单模传输光纤输入到光隔离器 2，光隔离器2输出的光信号通过偏振控制器3控制输出变成P偏振光，P偏振光由2×1耦合 器4的2_1端口输入，从1×2耦合器4的1_1端口输出的P偏振光通过单模传输光纤5传输 到侧边抛磨光纤6，由于侧边抛磨光纤包层的厚度减少，纤芯和包层的一些模式以倏逝波的 形式耦合到空气间隙7中传输，空气间隙7中传输的模式的光波在镀有金膜的类“喇叭”SPR 传感器8的金膜界面，发生SPR效应，产生SPR效应的光波以表面等离子波的形式存在，剩 余的光波继续传播，经全反射膜9全反射，再次经过空气间隙7，在镀有金膜的类“喇叭”SPR 传感器8的金膜界面发生SPR效应，产生SPR效应的谐振波长的光由2×1耦合器4的22 端口输出被带有时间响应特性的光电探测器10接收，光电探测器10将所得的光信号转变为 电信号，得到的电信号经过整形、滤波、放大被数据采集卡(DAC)11采集，由数据采集卡 (DAC)11采集的信号输入到PC机12经行数据显示和分析。由侧边抛磨光纤、空气间隙和 镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器组成的光纤振动传感头对空气间隙的变化非常敏感，随着空 气间隙的增大，产生SPR效应的谐振波长向短波漂移，并且漂移量与空气间隙的变化量具有 很好的线性度。当外界环境发生振动时，作用于光纤振动传感头的镀有金膜的类“喇叭”SPR 传感器的金属薄膜，发生振动，导致空气间隙的宽度随着振动频率的变化而变化，进而使得 SPR光谱发生变化，通过检测待定波长处的强度，可以实现超灵敏度的振动测量。

该装置能够实现基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器的强度测量的关键技 术有：

1、光纤振动传感头的结构。由侧边抛磨光纤、空气间隙和镀有金膜的类“喇叭” SPR传感器构成的光纤振动传感头结构是实现超灵敏度传感的基础。

2、空气间隙的宽度。SPR的谐振波长会随着空气间隙的厚度发生漂移，当超过 一定范围时，耦合到空气间隙的倏逝波无法激发金属内部的自由电荷并产生表面等离子波， 因此，侧边抛磨光纤与镀有金膜的类“喇叭”SPR传感器形成的空气间隙的宽度应严格控制在 1nm～12nm之间。

3、侧边抛磨光纤剩余包层的厚度。随着包层厚度的减小，会使得越来越多的纤 芯模耦合到空气间隙，但要是包层太薄，会导致出现模式不匹配，使得纤芯模完全泄露，损 耗太大；太厚导致耦合到空气间隙的模式太少，SPR耦合效率降低，因此剩余包层的厚度应 控制在50nm～250nm之间。

4、镀有金膜的传感区金膜的厚度和粗糙度。金膜厚度会影响SPR的谐振波长谐 振峰的尖锐程度和消光比，金膜表面的粗糙程度会影响表面等离子体的损失，进而影响SPR 的性能，因此，金膜的厚度应严格控制40nm～70nm之间，金膜表面的粗糙度的均方根应小于 等于5nm。

5、镀金膜的金属薄膜对整个传感器的测量灵敏度影响很大，需要选择弹性和有 韧性好的材料，且厚度在1mm～5mm之间。

6、侧边抛磨光纤的全反射膜对产生SPR效应的P偏振光反射率大于等于90％， 同时该反射膜应尽量平滑；根据表面等离子体共振理论可知，只有P偏振光才能激发表面等 离子体波(SPW)，因此利用偏振控制器保证输入的侧边抛磨光纤的信号光为完全P偏振光； 光源的稳定性也是SPR传感器误差的重要来源，应保证光源工作的稳定性。

本发明的一个具体实施例中，Thorlabs的光纤耦合激光光源，型号S1FC635PM 输出波长635nm；光隔离器型号为IO-2D-633-VLPa，工作波长为603-663nm，隔离度在35 -40dB之间，；偏振控制器型号为FPC022，工作波长为600-800nm；侧边抛磨光纤纤芯直 径为9μm，剩余包层的厚度为100nm，轴向长度为20μm；金膜厚度为50nm，表面粗糙度均方 根为3.7nm；空气间隙的宽度为5nm；光纤选用G.652单模光纤；全反射膜的反射率为95％； 带尾纤的光电探测器FDSP660，单模光纤，工作波长为610-770nm；同步数据采集卡 KPCI-1818，8通道并行采集通道，采样频率为500KS/s，采样分辨率为12位；一台多频率发 生器；一个扬声器。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本 发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。